(57)【要約】【課題】発電機またはモータのロータの位置を決定するための電磁装置が提供される。【解決手段】電磁装置は、ボア２１を画成するステータ２０と、ステータ２０のボア２１内で回転可能なロータ３０であって、磁極３４の列を画成するようにロータ３０の外面３２の周りに配置された永久磁石部材３３を有するロータ３０と、電力コイル５０であって、ロータ３０の回転に起因して磁極３４の第１の部分が電力コイル５０のそれぞれを横切る際に、電力電流を生成するように構成された電力コイル５０と、検出コイル６０であって、ロータ３０の回転に起因して磁極３４の第２の部分が検出コイル６０のそれぞれを横切る際に、検出電流を生成するように構成された検出コイル６０と、を備える。直流（ＤＣ）出力を生成するシステム７５は、上述した電磁装置１０を備えており、さらに、駆動装置８０と、処理装置９０と、整流器１００とを備えている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ボアを画成するステータと、
ステータのボア内で回転可能なロータであって、磁極の列を画成するようにロータの外面の周りに配置された永久磁石部材を有するロータと、
電力コイルであって、ロータの回転に起因して磁極の第１の部分が電力コイルのそれぞれを横切る際に、電力電流を生成するように構成された電力コイルと、
検出コイルであって、ロータの回転に起因して磁極の第２の部分が検出コイルのそれぞれを横切る際に、検出電流を生成するように構成された検出コイルと、
を備えることを特徴とする電磁装置。
【請求項２】
検出コイルは、電力コイルから磁気的および電気的に切り離されていることを特徴とする請求項１記載の電磁装置。
【請求項３】
検出コイルは、エアギャップによって電力コイルから分離されていることを特徴とする請求項１記載の電磁装置。
【請求項４】
検出コイルは、電力コイルに対して３０°の位相シフトを有することを特徴とする請求項１記載の電磁装置。
【請求項５】
ボアを画成するステータと、
ステータのボア内で回転可能なロータであって、磁極の列を画成するようにロータの外面の周りに配置された永久磁石部材を有するロータと、
ロータの第１のセクションの周りでステータ内に支持されるように巻かれた電力コイルであって、ロータの回転に起因して磁極の第１の部分が電力コイルのそれぞれを横切る際に、電力電流を生成するように構成された電力コイルと、
ロータの第２のセクションの周りでステータ内に支持されるように巻かれた検出コイルであって、ロータの回転に起因して磁極の第２の部分が検出コイルのそれぞれを横切る際に、検出電流を生成するように構成された検出コイルと、
を備えることを特徴とする電磁装置。
【請求項６】
ステータは、複数のセグメントから形成されるステータコアを備えることを特徴とする請求項５記載の電磁装置。
【請求項７】
検出コイルは、電力コイルから磁気的および電気的に切り離されていることを特徴とする請求項５記載の電磁装置。
【請求項８】
永久磁石部材は、ロータの外面の周りにＮ極およびＳ極の繰り返しパターンで配置されることを特徴とする請求項５記載の電磁装置。
【請求項９】
永久磁石部材は、２８個の磁極を画成するように配置されることを特徴とする請求項５記載の電磁装置。
【請求項１０】
ロータの第１のセクションが、２８個の磁極のうちの少なくとも２５個を含み、ロータの第２のセクションが、２８個の磁極のうちの残りの３つのうちの少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項９記載の電磁装置。
【請求項１１】
検出コイルは、エアギャップによって電力コイルから分離されていることを特徴とする請求項５記載の電磁装置。
【請求項１２】
電力コイルは、２／３ピッチでかつ三相Ｙ結線で配置されることを特徴とする請求項５記載の電磁装置。
【請求項１３】
検出コイルは、２／３ピッチでかつΔまたは三相Ｙ結線で配置されることを特徴とする請求項５記載の電磁装置。
【請求項１４】
検出コイルは、電力コイルに対して３０°の位相シフトを有することを特徴とする請求項５記載の電磁装置。
【請求項１５】
検出コイルは、電力コイルに対して３０°の進み位相シフトを有することを特徴とする請求項５記載の電磁装置。
【請求項１６】
検出コイルは、電力コイルに対して３０°の遅れ位相シフトを有することを特徴とする請求項５記載の電磁装置。
【請求項１７】
請求項１に記載の電磁装置を備えた、直流（ＤＣ）出力を生成するシステムであって、
ロータの回転を駆動する駆動装置と、
検出電流からロータの回転位置を決定するように検出コイルに接続された処理装置と、
決定された回転位置に従って電力電流を整流するように電力コイルおよび処理装置に接続された整流器と、
を備えることを特徴とするシステム。
【請求項１８】
駆動装置は、ガスタービンエンジンから成ることを特徴とする請求項１７記載のシステム。
【請求項１９】
整流器は、協同してＤＣ出力を生成する一連のトランジスタを備えることを特徴とする請求項１７記載のシステム。
【請求項２０】
ボアを画成するステータと、
ステータのボア内で回転可能なロータであって、２８個の磁極の列を画成するようにロータの外面の周りに配置された永久磁石部材を有するロータと、
ロータの第１のセクションの周りでステータ内に支持されるように巻かれた電力コイルであって、ロータの回転に起因して磁極の少なくとも２５個が電力コイルのそれぞれを横切る際に、電力電流を生成するように構成された電力コイルと、
電力コイルから磁気的および電気的に切り離され、ロータの第２のセクションの周りでステータ内に支持されるように巻かれた検出コイルであって、ロータの回転に起因して磁極の残りの３つのうちの少なくとも１つが検出コイルのそれぞれを横切る際に、検出電流を生成するように構成された検出コイルと、
を備えることを特徴とする電磁装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願に開示される主題は、電磁装置および機械に関し、より詳細には、発電機またはモータのロータの位置を決定する装置に関する。
【０００２】
（連邦政府研究の陳述）
本特許出願は、２０１０年９月２０日付けの米国陸軍契約第４００９６３２７号に従って発明された主題に関する。政府は、本発明に一定の権利を有する。
【背景技術】
【０００３】
可変速、一定周波数（ｖａｒｉａｂｌｅ−ｓｐｅｅｄ，ｃｏｎｓｔａｎｔ−ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）（ＶＳＣＦ）電力生成システムなどの電力変換システムでは、発電機、典型的にはブラシレス三相同期発電機が、発電モードで作動して、原動機によって供給される可変速原動力を可変周波数交流（ＡＣ）電力に変換する。原動機は例えば、航空機のガスタービンエンジンとすることができる。ある場合には、発電機によって生成された可変周波数ＡＣ電力は、整流器に送られ、そこで整流されて、直流（ＤＣ）信号としてＤＣリンクを介してインバータに供給される。インバータは次いで、負荷バスを介して１つまたは複数のＡＣ負荷に供給するために、ＤＣリンク上のＤＣ信号を一定周波数ＡＣ電力に変換することができる。
【０００４】
発電機はまた、始動モードではモータとして作動されて、外部ＡＣ電源によって供給される電力を原動力に変換することができ、この原動力は次いで、原動機に供給されて、原動機を自立速度に至らしめることができる。例えば、始動モードで作動されるとき、発電機は、航空機のガスタービンエンジンを始動させるのに使用可能である。
【０００５】
発電機モードおよび始動モードの両方で作動可能なブラシレス同期発電機の種類の１つとして、永久磁石発電機（ｐｅｒｍａｎｅｎｔ  ｍａｇｎｅｔ  ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）（ＰＭＧ）が挙げられる。このような発電機を適切に制御するためには、発電機のロータの位置と整流を同期させる必要がある。従来そのような同期は、ホール効果センサなどの位置センサを用いて達成されていた。ＰＭＧのロータが回転するにつれ、各ホール効果センサに生じる電圧は、ホール効果センサの出力がロータの位置を表すように、ロータの位置の関数としてゼロから最大まで変化する。ホール効果センサからの出力信号は次いで、整流器のスイッチング素子を制御するために使用される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、このような位置センサの使用には、位置センサ自体やそれに付随する電子機器にかなりの費用が必然的に伴い、さらに、位置検出装置を設置するために余分の配線や余分の組み立て工程が生じる。また、作動パラメータによって、一般にこのような位置センサの精度が制限される。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の１つの態様によれば、電磁装置が提供され、この電磁装置は、ボアを画成するステータと、ステータのボア内で回転可能なロータであって、磁極の列を画成するようにロータの外面の周りに配置された永久磁石部材を有するロータと、電力コイルであって、ロータの回転に起因して磁極の第１の部分が電力コイルのそれぞれを横切る際に、電力電流を生成するように構成された電力コイルと、検出コイルであって、ロータの回転に起因して磁極の第２の部分が検出コイルのそれぞれを横切る際に、検出電流を生成するように構成された検出コイルと、を備える。
【０００８】
本発明の別の態様によれば、電磁装置が提供され、この電磁装置は、ボアを画成するステータと、ステータのボア内で回転可能なロータであって、磁極の列を画成するようにロータの外面の周りに配置された永久磁石部材を有するロータと、ロータの第１のセクションの周りでステータ内に支持されるように巻かれた電力コイルであって、ロータの回転に起因して磁極の第１の部分が電力コイルのそれぞれを横切る際に、電力電流を生成するように構成された電力コイルと、ロータの第２のセクションの周りでステータ内に支持されるように巻かれた検出コイルであって、ロータの回転に起因して磁極の第２の部分が検出コイルのそれぞれを横切る際に、検出電流を生成するように構成された検出コイルと、を備える。
【０００９】
本発明のさらなる別の態様によれば、電磁装置が提供され、この電磁装置は、ボアを画成するステータと、ステータのボア内で回転可能なロータであって、２８個の磁極の列を画成するようにロータの外面の周りに配置された永久磁石部材を有するロータと、ロータの第１のセクションの周りでステータ内に支持されるように巻かれた電力コイルであって、ロータの回転に起因して磁極の少なくとも２５個が電力コイルのそれぞれを横切る際に、電力電流を生成するように構成された電力コイルと、電力コイルから磁気的および電気的に切り離され、ロータの第２のセクションの周りでステータ内に支持されるように巻かれた検出コイルであって、ロータの回転に起因して磁極の残りの３つのうちの少なくとも１つが検出コイルのそれぞれを横切る際に、検出電流を生成するように構成された検出コイルと、を備える。
【００１０】
これらと他の利点および特徴は、図面に関連して取り上げられた以下の説明からより明らかとなるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施例による電磁装置の軸周りの概略図である。
【図２】さらなる実施例による電磁装置の軸周りの概略図である。
【図３】実施例による図１、図２の電磁装置の電力コイルおよび検出コイルの構成を示す概略図である。
【図４】さらなる実施例による図１、図２の電磁装置の電力コイルおよび検出コイルの構成を示す概略図である。
【図５】直流（ＤＣ）出力を生成するシステムを示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明と見做される主題は、明細書の結論における特許請求の範囲に詳細に指摘されかつ明確に請求されている。本発明の上述した特徴および利点、さらには他の特徴および利点は、付随する図面に関連して取り上げられた以下の詳細な説明から明らかである。
【００１３】
詳細な説明は、図面を参照する実施例によって、本発明の実施例を利点および特徴と共に説明する。
【００１４】
図１、図２を参照すると、電磁装置１０が提供される。電磁装置１０は、ハウジングまたはステータ２０と、ロータ３０と、電力コイル５０と、検出コイル６０とを備える。ステータ２０は、ボア２１を画成し、ロータ３０が、ボア２１内に回転可能に配置される。ステータ２０は、本体２２を有し、本体２２は、鋳造、成形、または機械加工され、または複数の積層板から形成されることができ、複数の積層板は、一緒に結合されてスロット２３を画成する。本体２２は、図１に示すように一体の部材２４として、または図２に示すように複数の部材２５、２６として形成可能である。いずれの場合も、本体２２は、実質的に円筒形の内部形状を有することができ、ボア２１が、本体２２を通って軸方向に延在するように画成される。ロータ３０は、ロータ３０の中心長手軸線を通って延在する長手軸３１周りに自由に回転するように、同様に実質的に円筒形で、ボア２１内に嵌まるような大きさである。
【００１５】
ロータ３０は、ボア２１の円筒形の内側向きの面に対向する実質的に円筒形の外面３２を有する。永久磁石部材３３が、１つまたは複数の軸方向位置においてロータ３０の周りでこの外面３２の上または近くに配置される。永久磁石部材３３は、Ｎ極３４１、Ｓ極３４２を含む磁極３４の列を画成するように構成および配置され、これらの極は、繰り返す交互の実質的に一様な列として配置される。実施例によれば、２８個の磁極３４がロータ３０の周りに画成されることができる。
【００１６】
電力コイル５０は、例えば、２／３ピッチで、三相Ｙ結線（３  ｐｈａｓｅ  “ｗｙｅ”  ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ）で、ステータ２０の本体２２のスロット２３内に支持されるように巻かれる。電力コイル５０は、Ａ相電力コイル５０１、Ｂ相電力コイル５０２、Ｃ相電力コイル５０３を有することができ、従って、ロータ３０の第１のセクション５２の周りに画成された領域を一緒に含む一連の巻線５１（即ち、三相巻線）を形成する。ロータ３０がボア２１内で回転する間に、磁極３４のそれぞれは、各電力コイル５０の各巻線５１に近づき、そして離れる。従って、この回転によって生成される磁束が、各電力コイル５０内に交流を誘導する。従って、回転に起因して磁極３４の常に変化する第１の部分が各電力コイル５０の各巻線５１を横切る際に、電力コイル５０は、交流（ＡＣ）の形態で電力電流を生成するように構成される。
【００１７】
ステータ２０はまた、検出コイル６０を備えており、検出コイル６０は、電力コイル５０から磁気的および電気的に分離および絶縁されており、電力コイル５０と同様に、例えば、２／３ピッチで、Δ（ｄｅｌｔａ）または三相Ｙ結線で、ステータ２０の本体２２のスロット２３内に支持されるように巻かれる。検出コイル６０は、Ａ相検出コイル６０１、Ｂ相検出コイル６０３、Ｃ相検出コイル６０２を有することができ、従って、ロータ３０の第２のセクション６２の周りに画成された領域を一緒に含む一連の巻線６１（即ち、三相巻線）を形成する。ロータ３０がボア２１内で回転する間に、磁極３４のそれぞれは、各検出コイル６０の各巻線６１に近づき、そして離れる。従って、この回転によって生成される磁束が、各検出コイル６０内に交流を誘導する。従って、回転に起因して磁極３４の常に変化する第２の部分が各検出コイル６０の各巻線６１を横切る際に、検出コイル６０は、交流（ＡＣ）の形態で検出電流を生成するように構成される。
【００１８】
検出コイル６０の電流出力を参照することで、検出電流を誘導する１つまたは複数の磁極３４の現在の回転位置および／または速度を決定することができる。さらに、磁極３４は、繰り返す交互の一様な列として配置されるので、検出電流を誘導する１つまたは複数の磁極３４の現在の位置を決定することは、ロータ３０の周りの各磁極３４の現在の位置について、そして、ロータ３０の現在の回転位置および／または速度について、事実上決定論的となる。従って、電力コイル５０の巻線５１に対する磁極３４の各位置および動きも決定可能となり、それによって、電力コイル５０によるＡＣ出力が、以下に説明するように高い精度および精密さで整流可能となる。電力コイル５０によるＡＣ出力を整流するこの能力によって、ロータ３０の第２のセクション６２にある数の電力コイル５０を対応する数の検出コイル６０と置き換えることで規定される電力損失に取って代わる電磁装置１０の効率的な作動が可能となる。
【００１９】
図１、図２に示すように、ロータ３０の第１のセクション５２は、２８個の磁極３４のうちの少なくとも２５個を含む。これら２５個の磁極３４は、ロータ３０の回転の間、常に変化する。ロータ３０の第２のセクション６２は、同様に常に変化する、２８個の磁極３４のうちの残りの３つのうちの少なくとも１つを含む。第１のセクション５２が２８固の磁極３４を含み、第２のセクション６２が１つの磁極３４を含む場合、検出コイル６０は、エアギャップ７０によって電力コイル５０から分離可能である。
【００２０】
図３を参照すると、電磁装置１０の電力コイル５０および検出コイル６０の構成が示されている。図３に示すように、Ａ相電力コイル５０１は、Ｃ相電力コイル５０３の巻線５１に３０°遅れる一連の巻線５１を形成する。同様に、Ｃ相電力コイル５０３の巻線５１は、Ｂ相電力コイルの巻線５１に３０°遅れる。検出コイル６０は、電力コイル５０と同期するよう配置可能となるように、電力コイル５０の電気的かつ極性的に反対となる端部間に画成されるギャップ内に配置されるとはいえ、これは、以下に説明するように必要ではない。検出コイルについては、Ａ相検出コイル６０１は、Ｃ相検出コイル６０２の巻線６１に３０°遅れる巻線６１を形成する。同様にＣ相検出コイル６０２の巻線６１は、Ｂ相検出コイル６０３の巻線６１に３０°遅れる。
【００２１】
図４を参照すると、電磁装置１０の電力コイル５０および検出コイル６０の代替の構成が示されている。図４に示すように、検出コイル６０には、電力コイル５０の相に対する進み（ｌｅａｄ）または遅れ（ｌａｇ）位相シフトを与えることができる。図４では、この位相シフトは、３０°進み位相シフトとして示されているとはいえ、これは単なる例示であって、進みまたは遅れ位相シフトがさまざまな角度で可能であることは、理解されたい。進み位相シフトの場合、以下に説明する処理装置９０（図５参照）には、ロータ３０の回転位置および／または回転速度を検定するための付加的な処理時間を設定することが可能であり、さらに位相シフトに起因する付加的な時間の処理をするようプログラムすることもできる。
【００２２】
図５を参照すると、直流（ＤＣ）出力を生成するシステム７５が提供されている。システム７５は、上述した電磁装置１０を備えており、さらに、駆動装置８０と、処理装置９０と、整流器１００とを備えている。駆動装置８０は、ロータ３０の回転を駆動する原動力を提供するものであり、例えば、ロータ３０に連結されまたはロータ３０と一体に形成される駆動シャフトを有するガスタービンエンジンとすることができる。処理装置９０は、デジタル信号プロセッサと、内部に記憶された実行可能命令を有するメモリ／記憶装置とを備えることができる。実行時には、実行可能命令によって、デジタル信号プロセッサは、検出コイル６０からのＡＣを受け取り、ロータ３０の回転位置および／または速度を決定する。しかしながら、命令が、ハードウェア、ファームウェア、またはこれらの組み合わせとして実現可能であることは、理解されたい。
【００２３】
整流器１００は、処理装置９０に接続されており、決定されたロータ３０の回転位置および／または速度に従って電力コイル５０のＡＣを直流（ＤＣ）電圧の出力へと整流する。この目的で、整流器１００は、電力コイル５０からＡＣを受け取ることができ、各トランジスタ１０１がＡ相電力コイル５０１、Ｂ相電力コイル５０２、Ｃ相電力コイル５０３と接続される一連のトランジスタ１０１を備えることができる。トランジスタ１０１は、決定されたロータ３０の回転位置および／または速度に基づいて適切な時間、オン・オフすることで作動して、例えば、受け取ったＡ相電力コイル５０１、Ｂ相電力コイル５０２、およびＣ相電力コイル５０３のＡＣ電流のピーク値からＤＣ出力を協同して生成する。
【００２４】
本発明は、ほんの限られた数の実施例に関して詳細に説明したとはいえ、本発明がこのような開示された実施例に限定されないことは、容易に理解されるはずである。むしろ本発明は、これまで記載されていないが、本発明の趣旨および範囲に相応する、任意の数の変形物、代替物、置換物または均等構成物を含むように変更可能である。さらに、本発明のさまざまな実施例を説明したとはいえ、本発明の態様が上述した実施例のほんの一部を含み得ることは、理解されたい。従って、本発明は、上述した説明によって限定されるものとして理解されるべきではなく、添付の特許請求の範囲によって限定されるだけである。
【符号の説明】
【００２５】
１０…電磁装置
２０…ステータ
２１…ボア
２２…本体
２３…スロット
２４…一体の部材
２５、２６…複数の部材
３０…ロータ
３２…外面
３３…永久磁石部材
３４…磁極
３４１…Ｎ極
３４２…Ｓ極
５０…電力コイル
５１…巻線
５２…第１のセクション
６０…検出コイル
６１…巻線
６２…第２のセクション
７０…エアギャップ
７５…システム
８０…駆動装置
９０…処理装置
１００…整流器
１０１…トランジスタ
【図１】
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【図２】
2013102672.tif 000004
【図３】
2013102672.tif 000005
【図４】
2013102672.tif 000006
【図５】
2013102672.tif 000007